藍寶石單晶生長plc閉環(huán)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，特征是：在藍寶石生長爐上安裝稱重傳感器、溫度傳感器、水流量傳感器、水壓變送器以及人機操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入晶體生長曲線參數(shù)和PID參數(shù)，操作系統(tǒng)根據(jù)自動讀取的稱重傳感器稱得的晶體實際重量，對比晶體生長曲線，調(diào)整輸出功率和各節(jié)點溫度及水流量，使晶體按照既定工藝自動生長；本發(fā)明可以實現(xiàn)大尺寸、高品質(zhì)藍寶石單晶自動化生長的實時綜合控制，控制精度高、穩(wěn)定性好。
【專利說明】藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種藍寶石單晶生長控制方法，尤其是一種藍寶石單晶生長PLC閉環(huán) 控制方法，屬于晶體生長【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 藍寶石單晶具有透明性好、機械強度高、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良及熱傳導(dǎo)性能好等優(yōu)越 的綜合性能。首先它具有超高的硬度和極低的摩擦系數(shù)，自然界僅次于金剛石；它在超寬波 段（300nm?5000nm)具有高光學(xué)透過性能；藍寶石單晶還具有優(yōu)異的抗酸堿腐蝕能力，一 般酸堿常溫下甚至熔融狀態(tài)下都無法被侵蝕，故藍寶石單晶作為高端光電子材料的商業(yè)化 應(yīng)用便應(yīng)運而生。
[0003] 目前藍寶石晶體尤其是80公斤級以上的晶體生長，對人員依賴度大，且生長爐操 作界面復(fù)雜，設(shè)備自動化程度低，初學(xué)者要掌握整套設(shè)備的操作至少需要3-6個月，大部分 的晶體生長爐需要操作者用肉眼來觀察，長期對著高溫熔體，對操作者的視力影響很大。為 解決以上問題，目前已有部分長晶廠家研發(fā)自動化控制技術(shù)來進行長晶，但自動化控制程 度普遍不高，存在僅部分階段（引晶和放肩階段除外）采用自動化控制，或僅針對升降溫功 率和晶體重量兩參數(shù)設(shè)定的自動化控制工藝的問題，同時自動化工藝無法達到實時、精確 控制的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種藍寶石單晶生長PLC閉環(huán) 控制方法，可以實現(xiàn)大尺寸、商品質(zhì)監(jiān)寶石單晶自動化生長的實時綜合控制，控制精度商、 穩(wěn)定性好。
[0005] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，特征是：在 藍寶石生長爐上安裝稱重傳感器、溫度傳感器、水流量傳感器、水壓變送器以及人機操作系 統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入晶體生長曲線參數(shù)和PID參數(shù)，操作系統(tǒng)根據(jù)自動讀取的稱重傳感器 稱得的晶體實際重量，對比晶體生長曲線，調(diào)整輸出功率和各節(jié)點溫度及水流量，使晶體按 照既定工藝自動生長；具體包括以下步驟：
[0006] (1)將高純度氧化鋁原料放入坩堝內(nèi)，將坩堝放入藍寶石生長爐內(nèi)，封閉爐門；
[0007] (2)升溫：進行抽低真空操作，當真空度達到1?I. 5 X 10 _ 3Pa時，轉(zhuǎn)入抽高真空 操作；當真空度達到2?8X KT 3Pa時，啟動加熱系統(tǒng)，控制輸出功率以0. 1?0.5kW/h的 速率增加，歷時20?30h，當檢測到爐內(nèi)溫度達到2050°C時，停止增加輸出功率，經(jīng)過3? 5小時坩堝內(nèi)原料完全熔化成高溫熔液，然后保持熔液溫度穩(wěn)定4?6小時；
[0008] (3)引晶：下?lián)u籽晶接觸液面，保持爐內(nèi)溫度，并控制功率變化在±1?5kW，控制 晶桿上升速度在500-1000r/h，旋轉(zhuǎn)速度在200-500r/h，使籽晶拉出長度為30-40mm的細 頸；
[0009] (4)放肩、等徑生長：放肩、等徑生長過程中，操作系統(tǒng)自動進行功率的升降調(diào)整， 同時根據(jù)所處不同生長階段自動調(diào)整晶桿、爐膛水溫以及提拉速度，以滿足晶體生長所需 要的溫度梯度；
[0010] 操作系統(tǒng)調(diào)整功率升降的具體過程為：每隔一個采樣周期t(t為5?30秒）進行 一次采樣，得到一個采樣周期t內(nèi)，理論生長重量的變化值ml和晶體實際重量的變化值m2 ; 對ml和m2進行PID運算，由于比較的基數(shù)太小時，PID運算的穩(wěn)定性變差，造成功率升降幅 度波動大；而基數(shù)太大時，又會造成控制延遲過大，所以引入常量M，M的設(shè)定范圍為1000? 3000,對ml+M和m2+M進行PID運算，繼而對輸出功率u進行調(diào)整；輸出功率u的計算公式 為

【權(quán)利要求】
1. 一種藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：在藍寶石生長爐上安裝稱重傳 感器、溫度傳感器、水流量傳感器、水壓變送器以及人機操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入晶體生 長曲線參數(shù)和PID參數(shù)，操作系統(tǒng)根據(jù)自動讀取的稱重傳感器稱得的晶體實際重量，對比 晶體生長曲線，調(diào)整輸出功率和各節(jié)點溫度及水流量，使晶體按照既定工藝自動生長；具體 包括以下步驟： (1) 將高純度氧化鋁原料放入坩堝內(nèi)，將坩堝放入藍寶石生長爐內(nèi)，封閉爐門； (2) 升溫：進行抽低真空操作，當真空度達到1?1. 5Xl(T3Pa時，轉(zhuǎn)入抽高真空操作； 當真空度達到2?8X1(T3Pa時，啟動加熱系統(tǒng)，控制輸出功率以0. 1?0. 5kW/h的速率增 力口，歷時20?30h，當檢測到爐內(nèi)溫度達到2050°C時，停止增加輸出功率，經(jīng)過3?5小時 坩堝內(nèi)原料完全熔化成高溫熔液，然后保持熔液溫度穩(wěn)定4?6小時； ⑶引晶：下?lián)u籽晶接觸液面，保持爐內(nèi)溫度，并控制功率變化在±1?5kW，控制晶桿 上升速度在500-1000r/h，旋轉(zhuǎn)速度在200-500r/h，使籽晶拉出長度為30-40mm的細頸； (4) 放肩、等徑生長：放肩、等徑生長過程中，操作系統(tǒng)自動進行功率的升降調(diào)整，同時 根據(jù)所處不同生長階段自動調(diào)整晶桿、爐膛水溫以及提拉速度，以滿足晶體生長所需要的 溫度梯度； 操作系統(tǒng)調(diào)整功率升降的具體過程為：每隔一個采樣周期t(t為5?30秒）進行一次 采樣，得到一個采樣周期t內(nèi)，理論生長重量的變化值ml和晶體實際重量的變化值m2 ;對 ml和m2進行PID運算，由于比較的基數(shù)太小時，PID運算的穩(wěn)定性變差，造成功率升降幅度 波動大；而基數(shù)太大時，又會造成控制延遲過大，所以引入常量M，M的設(shè)定范圍為1000? 3000,對ml+M和m2+M進行PID運算，繼而對輸出功率u進行調(diào)整；輸出功率u的計算公式 為
其中,KP為比例系數(shù)，I為積分 時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，e表示ml+M和m2+M的偏差值，e= 2(ml-m2V(ml+m2+2M)，uQ為調(diào)整前功率； 由輸出功率u的計算公式得出：當ml>m2時，操作系統(tǒng)控制輸出功率下降；當ml<m2 時，操作系統(tǒng)控制輸出輸率上升； (5) 收尾、退火：上搖晶桿10?20mm，使晶體脫離液面后，進入降溫冷卻階段，完成后自 動充氣，結(jié)束生長。
2. 如權(quán)利要求1所述的藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：所述放肩、等徑 生長過程中的具體工藝參數(shù)設(shè)置為： 放肩階段，采樣周期t為20?30s，M值為1000?2000,KP為20 %?30 %，1\為40s? 80s，TD為10s?20s，功率升降的速率小于lkW/h;晶桿水溫控制在35?40°C，爐膛水溫控 制在30?35°C，提拉速度控制在1?1. 5mm/h; 等徑前期，采樣周期t為10?20s，M值為1500?2500, KP為30%?40% 為80s? 120s，TD為20s?30s，功率升降的速率小于0. 8kW/h ;晶桿水溫控制在40?45°C，爐膛水 溫控制在35?40°C，提拉速度控制在0. 8?1. 2mm/h ; 等徑后期，采樣周期t為5?10s，M值為2000?3000,KP為40 %?50 % 為120s? 160s，TD為30s?40s，功率升降的速率小于0. 5kW/h;晶桿水溫控制在45?50°C，爐膛水 溫控制在40?45°C，提拉速度控制在0. 4?0. 8mm/h; 當晶體重量達到加料重量90?95%,保持功率不變，持續(xù)2?3小時后提起晶體進入 收尾。
3. 如權(quán)利要求2所述的藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：所述放肩階段 是指晶體重量為加料重量的〇?15%。
4. 如權(quán)利要求2所述的藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：所述等徑前期 是指晶體重量為加料重量的15?50%。
5. 如權(quán)利要求2所述的藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：所述等徑后期 是指晶體重量為加料重量的50?95%。
6. 如權(quán)利要求1所述的藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：在整個生長過 程中，水壓保持在0. 12?0. 18MPa。
7. 如權(quán)利要求1所述的藍寶石單晶生長PLC閉環(huán)控制方法，其特征是：所述操作系統(tǒng) 每隔一個采樣時間，調(diào)整一次功率。
【文檔編號】C30B15/28GK104404616SQ201410696058
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】裴廣慶, 王佳麒, 羅亮遠, 黃小衛(wèi), 柳祝平 申請人:元亮科技有限公司